JP2000066806A

JP2000066806A - 力覚呈示装置

Info

Publication number: JP2000066806A
Application number: JP23862198A
Authority: JP
Inventors: Hide Sawai; 秀沢井; Tsukasa Yoshimura; 司吉村; Takuya Makino; 拓也牧野; Tomoharu Mukasa; 智治武笠
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-08-25
Filing date: 1998-08-25
Publication date: 2000-03-03

Abstract

(57)【要約】【課題】小型軽量で安価であると共に、故障も少な
く、さらに、暴走等によりユーザーに損傷を与える惧が
無く、且つ、現実の操作時に近い力覚を得ることができ
る力覚呈示装置を提供することを課題とする。【解決手段】柔軟な材料により形成され外皮部３内に
電気粘性流体７が満たされた外殻部材２と、上記電気粘
性流体を挟むように外皮部に配置された複数対の電極
９、１０から成る電界発生手段８と、上記電界発生手段
を制御する制御手段１１とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は新規な力覚呈示装置
に関する。詳しくは、小型軽量で安価であると共に、故
障も少なく、さらに、暴走等によりユーザーに損傷を与
える惧が無く、且つ、現実の操作時に近い力覚を呈示す
ることができる力覚呈示装置を提供する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピューター上にデータとして構築さ
れた仮想世界において、仮想の対象をあたかも現実の対
象であるかのように感じ、操作することができる、仮想
物体操作システムがある。

【０００３】実空間での三次元位置をコンピュータグラ
フィックスなどの手法を用いて表示された映像（仮想空
間）の三次元座標に変換することにより、映像中に表示
されたユーザーの仮想の手の仮想空間における位置と実
空間における位置との対応をとることができ、これによ
って、ユーザーは仮想物体を操作することが可能とな
る。

【０００４】ただ、それだけでは、ユーザーは、視覚的
に仮想物体を操作していると感じるだけで、あたかも仮
想物体を触ったり、掴んだりしたかのような感覚を得る
ことはできない。

【０００５】そこで、仮想世界で、上記のような感覚を
ユーザーに伝達する力覚呈示装置としていくつかのもの
が提案されている。

【０００６】従来は、例えば、手袋型あるいは手袋型に
はなっていないにしても各手指の関節間にバンドなどの
手段を用いて固定した指輪状の部材に一端を固定したワ
イヤーをプーリ等を介して手首の辺りまで引き回して外
部に引き出し、それぞれのワイヤーの他端をモータで巻
き取ることにより、手指の各関節に力を加える方法（特
開平６−３２４６２２号参照）や、ワイヤーとモータを
組み合わせる替わりにエアシリンダを用いるものや、バ
イブレータを用いるものなどがある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ワイヤーとモータを組
み合わせる方法やエアシリンダを用いる方法では、手指
に装着する装置そのものが大きくなるだけでなく重くな
ってしまうので、自由な手指の動きを阻害する要因とな
るだけでなく、手腕の疲労により長時間の使用が困難で
ある。また、バイブレータを用いる方法では、仮想物体
を触ったという、いわゆる触感覚はある程度得られる
が、仮想物体からの反力、すなわち、力覚を得ることは
できない。

【０００８】さらに、これらの方法では、手指に外力を
加えるので、正常動作中でも加えた力が強すぎた場合
や、制御装置の異常（暴走）などによりきわめて強い力
が働いた場合などには、手指に損傷を与える惧がある。
これを回避するために、リミッタなどの安全装置を設け
たとしても、リミッタの信頼性を１００％保証すること
は困難である。また、最大トルクの小さなモータを用い
るなどの方法で回避することもできるが、この場合に
は、ユーザーの力がモータのトルクを上回って、力覚呈
示という本来の機能を果たせなくなる場合が頻繁に起こ
りうる。

【０００９】上記のような問題を解決するものとして、
手指の周りにワイヤの替わりに液体を満たした管を配し
て、その液体の流動抵抗を調節することにより操作者に
反力を与える装置が考えられるが、かかる方式において
は、例えば、指の一自由度の方向に対して一本のチュー
ブを必要とする。このため、指の屈伸動作に加えて指と
指との間の開閉動作に対しても力感覚を与えようとする
と、さらに指の側面にもチューブを配する必要があっ
た。しかしながら、指と指との間は指の屈伸方向に比べ
て間隔が狭く、チューブを配するのが難しかった。この
配設の難しさは、ワイヤーを用いる場合も同様である。

【００１０】また、ワイヤーやチューブを指等に沿って
這わせる方法は、ワイヤーやチューブなどによって指の
一部分へ力を与えているので、ユーザーは反力をワイヤ
ーやチューブのある場所に感じることとなってしまい、
仮想空間への没入感に欠けるという問題があった。

【００１１】そこで、本発明は、小型軽量で安価である
と共に、故障も少なく、さらに、暴走等によりユーザー
に損傷を与える惧が無く、且つ、現実の操作時に近い力
覚を呈示することができる力覚呈示装置を提供すること
を課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明力覚呈示装置は、
上記した課題を解決するために、柔軟な材料により形成
され外皮部内に流体が満たされた外殻部材と、上記流体
の粘性を増減させるための粘性増減手段と、上記粘性増
減手段を制御する制御手段とを備えて成るものである。

【００１３】従って、本発明力覚呈示装置にあっては、
ユーザーの手指等のあらゆる箇所に力覚を与えることが
できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明力覚呈示装置の実
施の形態について添付図面を参照して説明する。なお、
図示した力覚呈示装置は、本発明を、手指による仮想物
体の操作時に該手指に力覚を与えるための力覚呈示装置
に適用したものである。

【００１５】力覚呈示装置１は、ユーザーの手を挿入す
ることができる外殻部材２を備える。該外殻部材２は柔
軟な材料で手袋状に形成されいる。該外殻部材２の外皮
部３は外側外皮３ａと内側外皮３ｂとによって２重構造
をしており、これら２つの外皮によって袋状の密閉空間
４が形成されている。該外殻部材２は所定の数の手指部
５、５、・・・及び掌部６を備えていて、ユーザーの手
指及び掌を手首の部分まで覆うようになっている。そし
て、上記密閉空間４内には電気粘性流体７が満たされて
いる。

【００１６】上記外殻部材２の外皮３ａ、３ｂの材料と
しては、柔軟ではあるが外殻部材２内に挿入されたユー
ザーの手指の屈伸による電気粘性流体７の流動によって
大きく伸び縮みしない材料が用いられる。

【００１７】上記電気粘性流体７は、電気絶縁性の液
体、例えば、シリコンオイル、炭化水素系鉱油、ハロゲ
ン化炭化水素等に電場の印加により電気分極する固体微
粒子、例えば、セルロース、シリカ、ゼオライト等の微
粒子を分散・懸濁させたものであり、電界を加えること
により流体の粘性が変化する特性を持ったものである。
すなわち、電界を加えることにより粘性が著しく増大
し、電界を取り去ると、元の粘性に戻るものである。

【００１８】そして、上記外殻部材２には電気粘性流体
７の粘性を増減する粘性増減手段として電界発生手段８
が設けられる。そして、該電界発生手段８は外殻部材２
の外側外皮３ａ及び内側外皮３ｂにそれぞれ電気粘性流
体７を挟むように配設された複数対の電極９、９、・・
・及び１０、１０、・・・によって構成される。これら
電極９、９、・・・及び１０、１０、・・・は外殻部材
２内に満たされた電気粘性流体７を挟むように配設され
るものであり、上記外殻部材２にあっては、手指部５、
５、・・・及び掌部６の全てを覆うように電気粘性流体
７が満たされているので、上記電極９、９、・・・及び
１０、１０、・・・は外殻部材２の表面の全体に亘って
配設されている（図３参照）。これら電極９、９、・・
・及び１０、１０、・・・は電気粘性流体７に電界を加
えるためのものであり、この機能が満たされるものであ
れば、どのような材質のものであっても構わないが、そ
れ自体がユーザーの手指の屈伸を妨げないような材質及
び形状であることが望ましい。

【００１９】そして、前記電極９、９、・・・及び１
０、１０、・・・は制御手段１１に接続され、該制御手
段１１によって、各電極９、９、・・・及び１０、１
０、・・・に印加される電圧が個別に制御される。該制
御手段１１にはコンピュータを使用して、どの位置のど
の電極にどのくらいの電圧をかけるかを制御することが
できる。

【００２０】しかして、ユーザーは、その手１２を手首
１３の部分まで外殻部材２内に挿入して使用する。この
時、ユーザーの手指１４、１４、・・・は外殻部材２の
手指部５、５、・・・内に挿入される。そして、ユーザ
ーがその手指１４を屈伸させると、外殻部材２が曲げら
れ、この動作により外殻部材２の密閉空間４の内容積が
変化し、これに伴い密閉空間４内に充填された電気粘性
流体７が流動する。

【００２１】そこで、ユーザーが、コンピュータ上など
に構築された仮想空間内で作業を行い、例えば、その手
１２で仮想的なリンゴを握ろうとする。この時、ユーザ
ーの手１２は把握動作を行い、リンゴに触れたと判断さ
れる位置で、手指１４、１４、・・・の把握動作が妨げ
られる必要がある。このような把握動作に際し、外殻部
材２は手１２の動作に伴って変形し、また、密閉空間４
内に満たされている電気粘性流体７も手１２の動作を妨
げることなく手１２の動きに追従する。

【００２２】そこで、制御手段１１により所定の位置の
電極９、９、・・・及び１０、１０、・・・に電圧を加
えることにより、当該部位における電気粘性流体７の粘
性が増加することになり、当該部位の電気粘性流体７は
変形し難くなる。これにより、ユーザーの手１２はその
状態で保持されることになり、更なる動作を行おうとし
た際には、その動作が妨げられ、それによって、ユーザ
ーは反力を感じることになる。

【００２３】ここで、電極９、９、・・・及び１０、１
０、・・・に加える電圧を小さくすれば、電気粘性流体
７の粘性の増加も小さくなり、手１２は負荷を受けつつ
も動作が可能となり、電極９、９、・・・及び１０、１
０、・・・に加える電圧を大きくすれば、電気粘性流体
７の粘性は増加し、手１２の動作は著しく妨げられるこ
とになる。

【００２４】図４及び図５に外殻部材の変形例を示す。

【００２５】該外殻部材２Ａは、外側外皮３ａと内側外
皮３ｂとの間に隔壁１５、１５、・・・を形成し、これ
によって、外皮部３に複数の独立した流体室１６、１
６、・・・を形成し、これら流体室１６、１６、・・・
に電気粘性流体７、７、・・・を満たしたものである。
なお、電気粘性流体７、７、・・・を挟むように外側外
皮３ａ及び内側外皮３ｂに配設される電極は図示を省略
してある。

【００２６】かかる外殻部材２Ａにあっては、電気粘性
流体７、７、・・・は隔壁１５、１５、・・・によって
隣接する流体室１６、１６、・・・への流入が妨げられ
るため、電気粘性流体７、７、・・・が部位によって偏
って位置してしまうことを防止することができる。

【００２７】上記した力覚呈示装置１にあっては、手指
を含む手全体を取り巻くように電気粘性流体７が配置さ
れるため、手全体で行う操作に対して的確な反力を与え
ることが可能である。しかも、ユーザーに直接的に強制
的な外力を与えるのではなく、ユーザーの力を妨げるこ
とにより力覚の呈示を行うので、誤動作によりユーザー
を傷付けてしまう惧がない。

【００２８】また、手指を含めての全体を電気粘性流体
７が取り巻いているため、電極９、９、・・・及び１
０、１０、・・・の配置を適正に行うことによって手指
等の持つ全ての自由度に対して反力を与えることがで
き、これによって複雑な力覚呈示を行うことができる。

【００２９】電極９、９、・・・及び１０、１０、・・
・は複数配置されているので、手指等のどのような動き
に対してもその動きを妨げる位置にある電気粘性流体７
の粘性を変化させるための電極９、９、・・・及び１
０、１０、・・・が存在することになり、ユーザーの複
雑な動きに対しても反力を与えることができる。また、
ユーザー個々の特性の違いにより反力を与える位置が異
なるような場合、例えば、手指の長さの違いにより関節
の位置が相違するような場合でも、電極９、９、・・・
及び１０、１０、・・・の配置を変えることなく、制御
手段１１から出力される信号を制御するだけで、反力を
与える位置を調整することができる。

【００３０】手指や掌の全体に亘って電極９、９、・・
・及び１０、１０、・・・を配置することができるの
で、複数の電極９、９、・・・及び１０、１０、・・・
による流動抵抗の変化を起こさせることにより、一つの
電極にかける電圧をそれほど高くしなくても済むので、
回路の簡略化を図ることが出来る。

【００３１】上記した実施の形態では、外殻部材は手袋
状をしていて、手指及び掌の全体を覆う形態のものを示
したが、これは手指のみを覆うものでも、あるいはまた
手首より腕側をさらに広範囲に覆うようなものであって
も良い。さらには、手袋型に限らず、シャツ状、図６に
２Ｂで示すボデイスーツ状のもの等であっても良く、あ
るいはまた、シャツ状やボデイスーツ状のものに手袋型
のものが一体に結合されたようなものであっても良い。

【００３２】また、電極は上記実施の形態で示したよう
に、ドット状に、且つ、外側の電極９と内側の電極１０
とが対向配置されたものに限らず、一方の電極をドット
状に、これに対向する他方の電極を一方の電極の全てと
対になる一枚の電極としても良いし、あるいは、一方の
電極と他方の電極とが交差して交差点に対向電極部が形
成されるように、すなわち、マトリックス状に配置して
も良く、電極の配置は特に限定されるものではない。

【００３３】また、電界発生手段として対を為す電極の
他の手段を用いても良い。

【００３４】さらに、外殻部材に満たされる流体は電気
粘性流体に限られるものではなく、その粘性を増減させ
ることのできるものであれば良く、例えば、流体として
の磁性流体と粘性増減手段としての磁界発生手段との組
み合わせ、適当な流体と粘性増減手段としての電磁弁と
の組み合わせ等、種々のものが使用可能である。

【００３５】なお、上記した実施の形態において示した
各部の形状及び構造は、何れも本発明を実施するに際し
て行う具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これ
らによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されるこ
とがあってはならないものである。

【００３６】

【発明の効果】以上に記載したところから明らかなよう
に、本発明力覚呈示装置は、柔軟な材料により形成され
外皮部内に流体が満たされた外殻部材と、上記流体の粘
性を増減させるための粘性増減手段と、上記粘性増減手
段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

【００３７】従って、本発明力覚呈示装置にあっては、
外皮部内の全体に亘って流体が満たされているので、ユ
ーザーの手指等のあらゆる箇所に力覚を与えることがで
きる。これによって複雑な力覚呈示を行うことができ
る。しかも、ユーザーに直接的に強制的な外力を与える
のではなく、ユーザーの力を妨げることにより力覚の呈
示を行うので、誤動作によりユーザーを傷付けてしまう
惧がない。

【００３８】請求項２に記載した発明にあっては、流体
が満たされた上記外皮部が隔壁により複数の流体室に区
画されているので、流体は隔壁によって隣接する流体室
への流入が妨げられるため、流体が部位によって偏って
位置してしまうことを防止することができる。

【００３９】請求項３及び請求項４に記載した発明にあ
っては、上記流体を電気粘性流体としたので、対向した
電極等の簡単な構成の電界発生手段を粘性増減手段とし
て採用することができ、小型軽量で制御の容易な力覚呈
示装置を提供することが可能となる。

【００４０】請求項５及び請求項６に記載した発明にあ
っては、上記粘性増減手段を電気粘性流体に電界を加え
る電界発生手段としたので、小型軽量で制御の容易な力
覚呈示装置を提供することが可能となる。

【００４１】請求項７及び請求項８に記載した発明にあ
っては、上記電界発生手段として上記外殻部材の任意の
複数の箇所において電気粘性流体を挟むように配設され
た複数の電極を設け、上記制御手段により適宜の電極に
電圧を印加するようにしたので、手指等のどのような動
きに対してもその動きを妨げる位置にある電気粘性流体
の粘性を変化させるための電極が存在することになり、
ユーザーの複雑な動きに対しても反力を与えることがで
きる。また、ユーザー個々の特性の違いにより反力を与
える位置が異なるような場合、例えば、手指の長さの違
いにより関節の位置が相違するような場合でも、電極の
配置を変えることなく、制御手段から出力される信号を
制御するだけで、反力を与える位置を調整することがで
きる。また、手指や掌等の全体に亘って電極を配置する
ことができるので、複数の電極による流動抵抗の変化を
起こさせることにより、一つの電極にかける電圧をそれ
ほど高くしなくても済むので、回路の簡略化を図ること
が出来る。

【００４２】請求項９及び請求項１０に記載した発明に
あっては、上記電極をマトリックス状に設けたので、電
極の配置が容易であり、且つ、より細密な電極の配置を
行うことができると共に、制御線の数を少なくして回路
の簡略化を図ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図面は本発明力覚呈示装置の実施の形態を示す
ものであり、本図は外殻部材の断面図である。

【図２】電気粘性流体、電界発生手段及び制御手段を示
す概略図である。

【図３】電極の配置例を示す図である。

【図４】図５と共に外殻部材の変形例を示すものであ
り、本図は一の部位の断面図である。

【図５】別の部位の断面図である。

【図６】外殻部材の別の変形例を示す概略斜視図であ
る。

【符号の説明】

１…力覚呈示装置、２…外殻部材、３…外皮部、７…電
気粘性流体（流体）、８…電界発生手段（粘性増減手
段）、９…電極、１０…電極、１１…制御手段、２Ａ…
外殻部材、１５…隔壁、１６…流体室、２Ｂ…外殻部材

フロントページの続き (72)発明者牧野拓也東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (72)発明者武笠智治東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内Ｆターム(参考） 5H309 AA20 BB16 BB20 CC10 CC12 EE10 FF20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】柔軟な材料により形成され外皮部内に流
体が満たされた外殻部材と、上記流体の粘性を増減させるための粘性増減手段と、上記粘性増減手段を制御する制御手段とを備えたことを
特徴とする力覚呈示装置。
【請求項２】流体が満たされた上記外皮部が隔壁によ
り複数の流体室に区画されていることを特徴とする請求
項１に記載の力覚呈示装置。
【請求項３】上記流体が電気粘性流体であることを特
徴とする請求項１に記載の力覚呈示装置。
【請求項４】上記流体が電気粘性流体であることを特
徴とする請求項２に記載の力覚呈示装置。
【請求項５】上記粘性増減手段が電気粘性流体に電界
を加える電界発生手段であることを特徴とする請求項３
に記載の力覚呈示装置。
【請求項６】上記粘性増減手段が電気粘性流体に電界
を加える電界発生手段であることを特徴とする請求項４
に記載の力覚呈示装置。
【請求項７】上記電界発生手段として上記外殻部材の
任意の複数の箇所において電気粘性流体を挟むように配
設された複数の電極を設け、上記制御手段により適宜の電極に電圧を印加することを
特徴とする請求項５に記載の力覚呈示装置。
【請求項８】上記電界発生手段として上記外殻部材の
任意の複数の箇所において電気粘性流体を挟むように配
設された複数の電極を設け、上記制御手段により適宜の電極に電圧を印加することを
特徴とする請求項６に記載の力覚呈示装置。
【請求項９】上記電極がマトリックス状に設けられた
ことを特徴とする請求項７に記載の力覚呈示装置。
【請求項１０】上記電極がマトリックス状に設けられ
たことを特徴とする請求項８に記載の力覚呈示装置。